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作者；鄭曉敏

  在實(shí)際仿真過(guò)程中，針對(duì)各種復(fù)雜流體的流動(dòng)與物理現(xiàn)象，可以采取不同的離散格式和計(jì)算方法，以便能很好地模擬復(fù)雜的流動(dòng)問題，得到精確的計(jì)算結(jié)果。Fluent作為一種重要的研究手段，對(duì)武器的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的作用，可以使武器結(jié)構(gòu)更加合理。Fluent流體仿真的基本步驟是：確定計(jì)算域的二維或者三維幾何形狀并劃分網(wǎng)格；將網(wǎng)格文件導(dǎo)入到Fluent軟件，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，選擇計(jì)算求解模型與方程，確定流體的材料特性以及邊界類型與邊界條件；模擬計(jì)算與控制參數(shù)以及計(jì)算與結(jié)果的后處理。本文針對(duì)某榴彈發(fā)射器液壓緩沖器隨自動(dòng)機(jī)后坐時(shí)的內(nèi)部流場(chǎng)問題，在仿真過(guò)程中采用二維非定常渦流模型對(duì)其進(jìn)行仿真分析。

1液壓反沖器結(jié)構(gòu)與液壓阻力的計(jì)算

  該榴彈發(fā)射器采用自由槍機(jī)式，后坐時(shí)液壓緩沖器隨自動(dòng)機(jī)一起后坐。后坐開始階段，榴彈發(fā)射器發(fā)射機(jī)上的緩沖簧吸收后坐能量；當(dāng)液壓緩沖器以一定的速度撞擊固定的發(fā)射機(jī)尾端膠墊時(shí)，開始產(chǎn)生液壓阻力，迅速降低自動(dòng)機(jī)的后坐速度，吸收多余的后坐能量，減小后坐對(duì)武器的振動(dòng)。

液壓緩沖器主要由前端、液壓缸、活塞、活塞桿、液壓緩沖簧以及活塞桿后端等組成，見圖1。液壓緩沖器工作原理是：當(dāng)其隨自動(dòng)機(jī)后坐時(shí)，由于后端開始撞擊發(fā)射機(jī)尾端，活塞固定不動(dòng)，液壓缸以一定的速度向后運(yùn)動(dòng)，迫使前腔的流體通過(guò)流液孔流向后腔，由于流液孔面積與活塞面積相比小得多，使得液體的流動(dòng)受到一定的節(jié)制，產(chǎn)生液壓阻力，阻止自動(dòng)機(jī)的后坐。

后坐時(shí)緩沖器的液壓阻力Fo (N)為：

其中：A。為液壓缸工作面積，m2；p為液體密度，kg/m3；d．，為流液孔面積，m2；K為液體阻力系數(shù)；v為自動(dòng)機(jī)后坐速度，m/s。

2流體仿真模擬

2.1  動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算域的建立

在使用Fluent動(dòng)網(wǎng)格進(jìn)行流體仿真時(shí)，需要將邊界的運(yùn)動(dòng)定義在確定的區(qū)域網(wǎng)格上。一般動(dòng)網(wǎng)格中包含有運(yùn)動(dòng)邊界與變形邊界，運(yùn)動(dòng)邊界一般可以組合在一起，而變形邊界必須分開并單獨(dú)指定其變形的形式和方向。不同區(qū)域之間的網(wǎng)格不一定是正則的，可在模型設(shè)置中用滑動(dòng)界面功能將各區(qū)域連接起來(lái)，針對(duì)液壓緩沖器流體工作區(qū)域的實(shí)際情況，本文計(jì)算域如圖2所示。

2.2動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)邊界條件的定義

動(dòng)網(wǎng)格模型中邊界的運(yùn)動(dòng)形式主要通過(guò)邊界函數(shù)預(yù)先確定或者是由計(jì)算得出下一步的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。Fluent提供DUF函數(shù)或者調(diào)用profile來(lái)定義邊界的運(yùn)動(dòng)形式，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)。在使用profile定義運(yùn)動(dòng)邊界時(shí)，其運(yùn)動(dòng)形式一般定義成速度與時(shí)間的函數(shù)。通過(guò)一系列離散的速度與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，F(xiàn)luent可以自動(dòng)地耦合成連續(xù)函數(shù)，離散的點(diǎn)越多，越符合運(yùn)動(dòng)邊界的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算精度越高。本問題中計(jì)算域的運(yùn)動(dòng)邊界為活塞，擬采用profile定義邊界速度與時(shí)間的關(guān)系，從而確定其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，內(nèi)容如下：

2.3  動(dòng)網(wǎng)格更新方法

  由于邊界的運(yùn)動(dòng)使得計(jì)算域的形狀不斷地改變，網(wǎng)格必須相應(yīng)地動(dòng)態(tài)變化。Fluent中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的變化主要有3種模型：①彈簧近似光滑模型( spring-based smoothing)，該方法利用彈簧原理實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格重構(gòu)，主要設(shè)置參數(shù)有彈簧彈性系數(shù)和邊界點(diǎn)松弛因子，一般取O與1之間的合適值；②動(dòng)態(tài)分層模型(dynamic layering)，主要是通過(guò)邊界附近網(wǎng)格增加或者減小實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格變化，設(shè)置參數(shù)有常值高度和常值比例；③局部重劃模型(local remeshing)，主要是針對(duì)計(jì)算域的變化情況，當(dāng)達(dá)到網(wǎng)格重構(gòu)條件時(shí)進(jìn)行計(jì)算域局部網(wǎng)格的重新劃分，設(shè)置參數(shù)有最大畸變率、最大網(wǎng)格體積、最小網(wǎng)格體積等，一般參照本軟件提供的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。為確保動(dòng)網(wǎng)格更新的質(zhì)量，針對(duì)網(wǎng)格劃分情況可以使用兩種或兩種以上的網(wǎng)格更新模型，本問題在gambit前處理中劃分的網(wǎng)格為三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，故本文擬采用彈簧近似光滑模型和局部重劃模型。

2.4計(jì)算方法與模型的選擇

  Fluent提供了3種計(jì)算方法：密度基隱式求解、密度基顯示求解和壓力基隱式求解。低速不可壓縮流動(dòng)的求解一般采用壓力基方法，設(shè)置有壓力基求解器；高速可壓縮流動(dòng)問題的求解主要采用密度基方法，設(shè)置有密度基求解器。針對(duì)本例的實(shí)際情況選用PressureBaseg的方法。針對(duì)流體的物理特性和流體流動(dòng)規(guī)律，F(xiàn)luent提供了Inviscid無(wú)粘模型、Spalart- Allmaras單方程湍流模型、K-epsilon雙方程模型、Laminar層流模型、K-omega雙方程模型以及雷諾應(yīng)力模型等，本文采用K-epsilon雙方程模型。

2.5仿真結(jié)果與后處理

為得到不同時(shí)刻液壓缸內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和液壓阻力，可以在仿真過(guò)程中對(duì)目標(biāo)區(qū)進(jìn)行監(jiān)控，在后處理中可以通過(guò)設(shè)置得到任意時(shí)刻所需要的結(jié)果。采用Fluent的后處理功能可以得到某時(shí)刻流場(chǎng)內(nèi)部的壓強(qiáng)分布云圖（見圖3）和速度矢量云圖（見圖4），通過(guò)壓強(qiáng)的變化規(guī)律還可以得到緩沖器的液壓阻力擬合曲線（見圖5）。

2.6  流體仿真與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

以液壓緩沖器隨自動(dòng)機(jī)后坐撞擊發(fā)射機(jī)橡膠墊時(shí)為起點(diǎn)，通過(guò)液壓阻力公式計(jì)算得出液壓阻力是逐步減小的（見圖6），而仿真結(jié)果也遵循這一規(guī)律(見圖7)。將液壓缸工作面壓強(qiáng)仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

  通過(guò)對(duì)比可以看出，理論計(jì)算與仿真結(jié)果相近。由于Fluent采用網(wǎng)格技術(shù)，其計(jì)算精度較高，仿真結(jié)果更加接近液壓阻力的真實(shí)值，同時(shí)可以進(jìn)一步修正液壓阻力理論計(jì)算結(jié)果，證明利用Fluent對(duì)該問題的模擬是可行的。

3結(jié)論

本文以某榴彈發(fā)射器液壓緩沖器為研究對(duì)象，利用Fluent軟件對(duì)液壓緩沖器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到了其后坐時(shí)緩沖器內(nèi)部流體的液壓阻力和速度矢量的分布規(guī)律。對(duì)理論計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，證明了利用Fluent在武器流體仿真分析時(shí)的精確性和先進(jìn)性，為下一步該武器自動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種技術(shù)途徑。

4摘要：某榴彈發(fā)射器采用小型液壓緩沖器并安裝在自動(dòng)機(jī)上隨其一起后坐。利用Fluent動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬液壓緩沖器隨自動(dòng)機(jī)后坐時(shí)的內(nèi)部流體流動(dòng)規(guī)律，研究其液壓阻力特性。將液壓阻力的模擬結(jié)果與理論計(jì)算對(duì)比分析，得出利用Fluent軟件在武器流體仿真分析上的可行性與必要性。